Способ нанесения пленок веществ на различные подложки

Способ нанесения пленок веществ на различные подложки относится к области безвакуумного получения тонких пленок проводников, полупроводников, диэлектриков и может быть использован в микроэлектронике, солнечных преобразователях энергии, при получении многослойных покрытий в производственных условиях в машиностроении, строительной отрасли и др. В способе получения пленок исходные вещества переводят в нанопорошкообразное состояние. Затем полученный нанопорошок вводят в суспензию - чернила вместо красителя и подают на капилляр, расположенный на расстоянии от подложки. Между капилляром и подложкой создают градиент электрического поля, достаточный для диспергирования суспензий - чернил с конца капилляра и осаждения на подложку за счет действия сил электрического поля. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности получения равномерно нанесенных пленок исходных веществ наномикроразмерных толщин на подложках различных геометрических форм и размеров.

 

Изобретение относится к области безвакуумного получения тонких пленок проводников, полупроводников и диэлектриков на любые подложки, в том числе и на рулонные пленочные материалы и может быть использовано в микроэлектронике, солнечных преобразователях энергии, при получении многослойных покрытий в производственных условиях строительной отрасли, в машиностроении и др.

Известны способы нанесения пленок различных материалов вакуумным способом путем выпаривания или сублимации и дальнейшего осаждения их на подложки в поле градиента температур [1].

Однако этот способ обладает рядом существенных недостатков:

а) относительно высокая температура выпаривания или сублимации вещества;

б) ограничение габаритов подложки;

в) низкая производительность процесса;

г) относительно большие проценты потери исходного вещества;

д) ограниченные области применения;

Этих недостатков лишен метод безвакуумного нанесения пленок веществ путем использования струйных технологий заключающийся в получении чернил - суспензий из нанопорошка исходного материала и последующего их нанесения на подложку [2].

Этот способ получения пленок проводников, полупроводников и диэлектриков позволяет нанести на подложку суспензию - чернила с порошком исходного вещества вместе частиц красителя в виде капелек произвольной геометрической формы (кляксов) со средним объемом 1,5 пикалитра (1,5×10^-12 литра) и более [2, 3]. При попадании этой кляксы на подложку на ней оставляют произвольной формы пятна, которые частично расплываются за время их высыхания. Кроме того, средний размер объема капелек - кляксов колеблется в широком интервале значений из-за невозможности управления колеблется в широком интервале значений из-за невозможности управления процессом формирования единичной капли - кляксы. Этот способ не позволяет получить капли - кляксы меньших размеров и, наконец, эта технология не обеспечивает равномерность нанесения капель на подложку. Все перечисленные недостатки метода ограничивают области его использования, и снижает ее разрешающую способность.

Целью настоящего изобретения является уменьшение размеров частиц чернил до наноразмерного уровня, обеспечение равномерности их нанесения на подложку.

Технический результат заключается в получении пленок: исходных веществ нано-микроразмерных толщин на подложках различных геометрических форм и размеров.

Для достижения технического результата, заключающегося в получении пленок исходных веществ нано-микроразмерных толщин на подложках различных геометрических форм и размеров, безвакуумным методом, исходные вещества (проводники, полупроводники и диэлектрики) переводят в нанопорошкообразное состояние любым известным способом, затем нанопорошок вводят в состав суспензий - чернил, взамен порошка красителя. При этом в состав вводят гелобразующие компоненты для исключения процесса выпадения порошка в осадок или суспензию и емкости подвергают постоянному процессу перемешивания. Полученные однородные по составу суспензию - чернила подаются в капилляр, расположенный на расстоянии от подложки и между капилляром и подложкой создается градиент электрического поля, которое формирует дисперсный поток наноразмерных частиц суспензий - чернил шарообразных форм, осаждающихся на подложку под действием Кулоновских сил.

Суть способа получения пленок: исходных веществ нано микроразмерных толщин заключается в следующем. Исходные вещества (проводники, полупроводники и диэлектрики) пленки которых нужно получить на подложках переводят в состояние порошка с наноразмерными частицами. Затем нанопорошок исходного вещества вводят в суспензию - чернила со связующими компонентами. Полученную суспензию - чернила подводят к капилляру и между капилляром, и подложкой создают градиент электростатического поля. При соответствующем потенциале капилляра из него вытягивается суспензия - чернила в виде конуса, на вершине которого формируется дисперсный поток, направленный на подложку. Характеристики дисперсного потока: размер частиц, устойчивость режима диспергирования, плотность частиц, площадь основания конуса являются функциями электрических свойств суспензий - чернил, ее вязкости, расхода по капилляру, коэффициента поверхностного натяжения, структуры электростатического поля. Плотность частиц по сечению дисперсного потока зависит как от структуры электрического поля в зоне формирования потока, так и от расстояния между капилляром и подложкой.

При этом геометрическая форма и размеры подложки могут быть произвольными. Производительность процесса нанесения пленки зависит от площади основания конуса дисперсного потока суспензий - чернил. Для повышения производительности процесса нанесения пленки предлагаемым способом используется многокапиллярное диспергирование через последовательные ряды капилляров при нанесении пленки на большие поверхности и рулонные подложки. Область применения этого способа нанесения пленок расширяется, если одновременно на разные капилляры подавать суспензии - чернила различного состава. Кроме того, в этом способе суспензии - чернила могут быть приготовлены из нанопорошков различных материалов с заданным процентным содержанием компонентов для получения пленок с требуемыми физическими свойствами и составом, как в плоскости подложки, так и по толщине. Этот способ позволяет наносить многослойные пленки в требуемой последовательности (например, проводник, полупроводник «р» типа, полупроводник «n» типа, проводник, диэлектрик, проводник; диэлектрик, проводник, проводник; и др.)

Размеры частиц дисперсного потока суспензий - чернил также зависят от исходных размеров частиц нанопорошков веществ. В частности при диспергировании однородных жидкостей, например парафина и многокомпонентных жидкостей, например, эпоксидной смолы размеры частиц дисперсного потока составляют порядка (0,1÷12) нанометров в зависимости от режимов процесса диспергирования. В случае суспензии - чернил размеры частиц дисперсного потока превышают размеры исходных частиц нанопорошка в 1,5÷3 раза в зависимости от состава суспензий - чернил. При этом каждая частица дисперсного потока суспензии - чернил содержит, в 95% случаях, по одной частице исходного нанопорошка. Все эти измерения были проведены с помощью атомно-силового микроскопа.

Таким образом, объемы частиц дисперсного потока в предлагаемом способе составляют (1,5÷3) умноженное на размер частиц исходного нанопорошка. Следовательно объем частиц дисперсного потока составляет порядка 1/6 умноженное на пи (π), на (1,5÷3)³ и на куб среднего диаметра (d) частиц исходного порошка в кубических нанометрах (1,5÷3)³πd3/6 [(нанометры)³]. Отсюда следует, что на площади подложки покрываемой одной частицей пикалитровых объемов, в известных способах получения пленок [3, 4], будут размещаться на три и более порядков больше частиц дисперсного потока получаемого предлагаемым способом. Это естественно приводит к: улучшению физических свойств пленок, получаемых предлагаемым способом, повышению их разрешающих способностей, обеспечивает более высокую степень равномерности пленок по поверхности, расширяет области применения этой технологии.

Этот метод был использован для получения пленок из нанопорошков алюминия, селена, никеля, серебра, на стеклянных подложках, на бумаге, на никелевой, нихромовой, вольфрамовой, алюминиевой и медной фольге, на целлофановой пленке. Результаты исследований показали, что толщина пленки по поверхности изменяется в интервале от полторы до трех размеров (диаметров) наночастиц исходного вещества, т.е. в интервале (1÷3)d. Здесь d - средний диаметр исходных наночастиц вещества. Размеры частиц получаемых предлагаемым способом после их высыхания варьировались в интервале 1,5÷12 нанометров. Далее предлагаемым способом на подложки наносились пленки суспензий - чернил содержащих нанопорошки алюминия и меди, меди и селена, алюминия и серебра, серебра и никеля в соотношениях 1:1 и в других соотношениях. Результаты измерений структуры поверхности и размеров частиц, проведенных на атомно-силовом микроскопе показали, что толщина пленок и размеры частиц колеблются в интервале (1÷3) диаметра исходной наночастицы. Кроме того, проводились исследования по определению зависимости производительности способа нанесения пленок от числа капилляров. Результаты экспериментальных исследований показали, что производительность способа нанесения пленок прямо пропорционально числу капилляров, через которые одновременно диспергируется суспензия - чернила с нанопорошками исходных веществ.

Источники информации

1. Вакуумный способ нанесения пленок путем выпаривания - испарения вещества. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. - М.: ФИЗМАТ, 2001. - 224 с. с.69-71

2. http://www.cleandex.ru/articles/2008/05/19/solarenergy-heliuml, http://www.nanosolar.com/technology

3. Артемов В.И., Гиневский А.Ф., Павицкий Н.И. Численное моделирование процессов в термической головке струйнного принтера. Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.4. Кипение, кризисы кипения, закризисный теплообмен. Испарение, конденсация. М.: Издательство МЭИ. 2002. 344 с. (страницы 221-224).

4. Р.Н. Chen, W.-C. Chen, S.-H. Chang. Bubble growth and ink ejection process of a thermal ink jet print head Int. J. Mech. Sci. 1997. V.39. N 6. P.683-695.

Способ нанесения пленок веществ на различные подложки, заключающийся в диспергировании жидкостей с конца капилляра в электрическом поле, отличающийся тем, что исходные вещества переводят в нанопорошкообразное состояние, затем полученный нанопорошок вводят в суспензию - чернила вместо красителя и подают на капилляр, расположенный на некотором расстоянии от подложки, и между капилляром и подложкой создают градиент электрического поля, достаточный для диспергирования суспензий - чернил с конца капилляра и осаждения на подложку за счет действия сил электрического поля.